图7-2 前面板示意图 图7-3 后面板示意图
2．操作步骤
（1）接线:联接电源,应变仪及电桥盒各接线。将和工作片和赔偿片相联导线接入电桥盒。
依据测量需要,电桥盒接线有半桥及全桥联接两种。
半桥联接:电桥盒（图7-4）上1,2, 3, 4 分别相当于电桥A、B、C、D四个接线柱。
R3,R4为电桥盒内两个120Ω无感线绕电阻作为内半桥。将接线柱1和5,3 和7,4 和8分
别短接,在1、2之间接工作片R1,2、3之间接赔偿片R2,即为半桥单点测量接线。见
图7-4（a）。
全桥联接:将电桥盒1和5,3 和7,4 和8之间短接片全部取下。分别在（1、2）,（2、
3）,（3、4）,（4、1）之间接应变片。即为全桥联接见图7-4（b）。
R1 R2 R4
R1 R2 R3
1 | 2 | 3 | 4 | R3 | 1 | 2 | 3 | 4 |
5 | 6 | 7 | 8 | |||||
5 | 6 | 7 | 8 |
R4
（a） （b）
图7-4 电桥盒示意图
多点测量时应变片导线接入P20R-25型预调平衡箱,并将预调平衡和应变仪联在一起,
后面板上开关拨到预调箱档上。
（2）标定:调整灵敏系数,使指示值K对在2.00上,在仪器标定后,再对至和应变片灵敏
系数相同数值上。
（3）通电:检验接线无误后,按下电源开关。
（4）调整:
①按下“基零”开关,调整“基零”电位器,使显示器显示为±0000。
②再按下“测量”开关,调整“电阻平衡”电位器,使荧屏显示为±0000,这时将“粗”,
“细”开关置于“细”,若调零无法调到±0000时,则按下“粗”。
③将后面板开关拨至“标定”档,调整“灵敏度”电位器,使标定值显示为-10000με然后拨至“电桥盒”档。
④反复几次调平衡（零点）和标定值读数（10000με）。
⑤为了提升测试精度,若条件许可,每隔一段时间在无载荷情况下查对一下平衡和标定值读数。
（5）测量:再次按上“测量”开关,仪器即可按预定加载方案进行测量。
（6）还原:测试完成,关闭电源,拆下各接线,整理好现场,试验结束。
3．注意事项
（1）仪器使用前应预热半小时,可连续工作4小时。周围应无腐蚀性气体及强磁场干扰。（2）导线、连线,插头均应旋紧。测量工作片和赔偿片值应尽可能一致,连接导线应采取长度,规格相同屏蔽电缆,测量时导线不得移动。
（3）严格遵守操作规程。试验中发觉故障,应立即关掉电源。
二、多点测量预调平衡箱
预调平衡箱是和静态应变仪配套使用进行多点测量仪器。常见平衡箱可同时测量20个点应变值,可进行半桥（单片赔偿和多点公共赔偿）,全桥应变测量及对其它转换成电压信号物理量测量。
1．结构和工作原理
预调平衡箱1-20 点中任一点半桥连接图7-5 所表示。 | 任一点全桥连接图7-6 所表示。 | R1、 |
R2、R3、R4全部为工作片。
A | R1 | B | B | UDB | ||||||
R2 | R1 | R2 | ||||||||
R4 | r | r | ||||||||
W | C | UDB | A | W | C | |||||
D | R3 | R4 | D | R3 | ||||||
E | E | |||||||||
P20R－25 型预调平衡箱 1 2 3 4 5 | ||||||||||
图7-5 半桥连接 图7-6 全桥连接
②
①
图7-7 平衡箱前面板示意图
图7-7中①为切换开关。转换该开关可进行多点测量,当该开关置于“0”时,预调箱处于转换状态。
②为电阻平衡电位器。它是用于调整测量点桥路电阻平衡,将该电位器顺时针方向旋转应变值增大,反之,减小。
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 18 19 20 | D |
图7-8 平衡箱后面板示意图
1．使用方法
（1）将YJ-25型静态电阻应变仪“选择开关”置“转换”档。灵敏系数盘调到和使用应变片灵敏系数相同数值上。
（2）平衡箱联接线分别插入“预调箱”座和“应变仪”座。
（3）按下YJ-25应变仪电源开关接通电源。并将“测量基零”开关置“测量”档。（4） 将“切换开关”置于“1-20”档,调整对应电阻平衡电位器,使YJ-25电阻应变仪显示为“±0000”。
（5）接线半桥时将平衡箱后面板转换开关打到半桥,在平衡箱上把工作片接在AB接线柱
上,把赔偿片接在BC接线柱上。若想用一个片赔偿全部工作片,可用短接铜片把对应C行全部接线柱短接起来。在BC上接一只赔偿片。全桥测量时,将平衡箱后面板转换开关置全桥位置,并依次将应变片引线接在平衡箱ABCD接线柱上。
（6）加载,旋转“切换开关”统计对应测量值。
注意:如在测量时发觉有跳字现象,可将桥路B节点和接地柱用导线将它们连接起来,并要求电源插座接地线接地。
三、电测法基础原理
电测方法不仅用于验证材料力学理论、测量材料机械性能,而且作为一个关键试验手段来处理实际工程中问题及从事研究工作。
电测法就是将物理量、力学量,机械量等非电量经过电感元件转换成电量来进行测量一个试验方法,其原理框图以下图所表示。
敏感 元 件 测 量 设 备
被测构件 电 量 测量结果
| 光、 电、 机械传感器 数据采集和处理 | ||||||||
物力 机 生 电 电 数 理 学 械 物 压 流 字 量 量 量 参 量 数 图7-9 电测技术原理框图
电测法之所以得到广泛应用,是因为它含有以下诸方面优点:
（1）灵敏度高,测量范围广。如应变测量范围为±1～±10４微应变,力或重力测量范围为10-2～105N等。
（2）能进行静、动态测量,频响范围为0～±50KHZ。
（3）轻便灵活,可用于现场及野外等恶劣环境下进行测试。
（4）能在高温、低温及高压液下等特殊条件下测量。
（5）便于和计算机联结进行数据采集处理。可广泛应用于生产管理自动化及其控制。
一、电阻应变片结构及工作原理
金属丝电阻值随机械变形而发生改变现象称为应变一电效应。电阻式敏感元件称作电阻应变片。电阻应变片分丝式电阻片和箔式电阻片两大类。丝绕式应变片是用直径为0.003～0.01mm合金丝绕成栅状而制;箔式应变片则是用0.003～0.01mm厚箔材经化学腐蚀成栅状。主体敏感栅是一个电阻,在感受被测物体应变时,其电阻也同时发生改变。试验表明被测物
体测量部位应变片 | L | 和电阻改变率ΔR/R 成正比关系。即 | | ||||
| L | （7-1） | |||||
R | | K | | L | |||
| | R | | | s | L | |
式中Ks称为金属丝电阻应变灵敏系数
上式也可由物理学基础公式导出:电阻值R和电阻丝长度L及截面积A之间关系为:
R | | | L | （7-2） |
| | | A | |
ρ为金属丝电阻率,上式等号两边取对数再微分得:
R | | L | | A | | | （7-3） |
R | | L | | A | | | |
依据金属物理和材料力学理论得悉ΔA/A,Δρ/ρ也和ΔL/L成线性关系,由此得到:
R | | ( 1 | | 2) | | m | ( 1 | | 2) | L | / | L | | ||||
R | | | | | | | | | | （7-4） | |||||||
= | K s | L | / | L | |||||||||||||
式中:μ——金属丝材料泊桑系数。
m——常数和材料种类相关。
（7-4）式说明粘贴在构件上电阻片,其电阻改变率ΔR/R和其感受应变值ΔL/L成正比,百分比系数为Ks。因为电阻片敏感栅并不是一根直丝,所以百分比系数通常在标准应变梁上由抽样标定测得,标定梁为纯弯梁或等强度钢梁。对电阻片来说,式（7-4）可写成。
R R | k |
二、电阻片温度效应
温度改变时,金属丝电阻值也伴随产生改变,称之为（ΔR/R）T。该电阻改变是由两部
分引发,一是电阻丝电阻温度系数引发
R R | | | T | | | TT |
另一部分是因为金属丝和构件材料膨胀系数不一样而引发:
R R | | | T | | K | s | (2 | | 1 | ) | T |
所以温度引发电阻改变为
式中 | | T | R R | | | | T | | K | S | (2 | | 1 | ) | T | （7-5） | |
——金属丝（箔）材料电阻温度系数; | 1 | ——金属丝（箔）材料热膨胀系数; | |||||||||||||||
2 | ——构件材料热膨胀系数。 | ||||||||||||||||
要想正确地测量构件应变,就要克服温度对电阻改变影响,一个方法是使电阻片系数
| T | | K | s | (2 | 1 | ) | | 等于零, 这种电阻片称为温度自赔偿电阻片; 另一个方法是利用测量电 |
路——电桥特征来克服,这将在下面仔细叙述。
四、测量电路----电桥工作原理
测量电路作用是将电阻片感受电阻改变率ΔR/R变换成电压改变输出,再经放大电路放大。测量电路有很多个,最常见是桥式电路,它有四个桥臂R1,R2,R3,R4按次序接在A、B、C、D之间图7-11。电桥对角点AC接电源E。另一对角BD为电桥输出端,其输出电压uDB。能够证实输出电压。
| U DB | | | R 1 | R 1 | R | | | R 3 | R | 4 | R | 4 | | E | （7-6） | ||||||||||||||||||||||||||||
R 1 | | 2 | | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
若电桥四个桥臂和四枚粘贴在构件上电阻片连接。 当构件变形时, 其电阻值改变分别为: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| R 1 ; | R | 2 | | R | 2 | ; | R 3 | | R 3 | ; | R | 4 | | R | 4 | , 此时, 电桥输出电压即为: | |||||||||||||||||||||||||||
U | | | U | | | | R 1 | | R 1 | | R 1 | R |
| ) | | R 3 | | R | 4 | | R | 4 | |
| ) | | E | （7-7） | ||||||||||||||||
| DB | DB | | R | 2 | | R 1 | | 2 | | R | 4 | | R 3 | | R | 4 | | | | ||||||||||||||||||||||||
由式（7-7）和（7-4）能够解出电桥电压改变量ΔUDB。当ΔR/R＜＜1,ΔUDB能够简化为
U | | | a | | | ( | R 1 | | R | 2 | | E | | | b | | | ( | R | 4 | | R 3 | ) | E | （7-8） | ||||
DB | | ( 1 | | a | ) | 2 | | R 1 | | R | 2 | | | | ( 1 | | b | ) | 2 | | R | 4 | | R 3 | | | | ||
式中a=R2/R1,b=R3/R4,当R1=R2=R3=R4时,（7-8）式又可深入简化成
U | | E | | R 1 | | R | 2 | | R 3 | | R | 4 | | （7-9） | ||
DB | | 4 | | R 1 | | R | 2 | | | R 3 | | R | 4 | | | |
上式表明,电桥输出电压改变量ΔUDB和两个桥臂电阻改变率成线性关系,需要注意是该式成
立必需条件是:
a、小应变 | R | |
| R | |
1 b、等桥臂,即R1=R2=R3=R4
当四枚电阻片灵敏系数K 相等时, （7-9）式能够写成
U DB | EK 4 | (1 | | 2 | | 3 | | 4 | ) | （7-10） |
式中: ε1, ε2, ε3, ε4 分别代表电阻片R1, R2, R3, R4 感受应变值。 上式表明, 电压改
变量ΔUDB 和四个桥臂电阻片对应应变值ε1, ε2, ε3, ε4 成线性关系。 应该注意, 式中ε
是代数值, 其符号由变形方向决定。 通常拉应变为正, 压应变为负, 能够看出, 相邻两臂ε
（比如, ε1, ε2 或ε3, ε4）符号一致时, 依据式（7-9）应变相互抵消。 如符号相反, 则两
应变绝对值相加。 两相对桥臂ε（比如ε1 和ε3）符号一致时, 其绝对值相加, 不然二者相
互抵消。 显然, 不一样符号应变根据不一样次序组桥, 会产生不一样测量效果。 所以, 灵活
地利用（7-10）式正确地布片和组桥, 可提升测量灵敏度并降低误差。 这种作用称为电桥加
减特征。 下面讨论多个常见组桥方法。
1．组桥方法
（1）单臂测量, 电桥中只有一个桥臂（常见AB 臂）是参与机械变形电阻片, 其它三个
桥臂电阻片全部不参与机械变形。 这时, 电桥输出电压为:
U | | E | R 1 | | EK | | （7-11） |
| | 4 | R 1 | | 4 | 1 | |
（2）半桥测量。 电桥中相邻两个桥臂（常见AB、 BC 桥臂）参与机械变形电阻片, 其
它两个桥臂是不参与机械变形固定电阻。 这时电桥输出电压为
U | | E | ( | R 1 | | R | 2 | ) | | EK | ( | | ) | （7-12） |
DB | | 4 | | R 1 | | R | | | | 4 | 1 | 2 | | |
（3）对臂测量。电桥中相正确两个桥臂（常见AB、CD桥臂）是参机械变形电阻片,其
它两个桥臂是固定电阻,这时电桥输出电压为
U | | E | ( | R 1 | | R 3 | ) | | EK | ( | | ) | | | | | | （7-13） |
DB | | 4 | | R 1 | | R 3 | | | 4 | 1 | 3 | | A | R1 | B | R2 | C | |
（4）全桥测量。 电桥中四个桥臂全部是参与机 | ||||||||||||||||||
械变形电阻片。 这时电桥输出电压和公式（7-9） | R4 | D | R3 | UDB | ||||||||||||||
及（7-10）相同。 | ||||||||||||||||||
另外,还有串联组桥方法,即两枚参与机械变
形电阻片串联在同一桥臂中,其测量结果为两枚电
阻片电阻改变率平均值。 图7-10桥式测量电路
2.温度赔偿片
前已述及电阻片电阻随温度改变而改变,利用电桥加减特征,可经过温度赔偿片来消除
这一影响。所谓温度赔偿是将电阻片贴在和构件材质相同但不参与变形一块材料上,并
和构件处于相同温度条件下。将赔偿片正确地连接在桥路中即可消除温度改变所产生
影响。
下面分别讨论多种组桥方法温度赔偿片连接方法。通常参与机械变形电阻片称为工作
| |
片在电桥中用符号 来表示;温度赔偿片用符号 来表示;另外仪器中还接有不
随温度改变内接标准电阻。
（1）单臂测量图7-11。其中BC臂接温度赔偿片,CD, DA 臂接仪器内标准电阻。 考虑
温度引发电阻改变
u | | E | | ( | R | ) | | ( | R 1 | ) t | | ( | R | 2 | ) t | | （7-14） | ||||||
DB | | 4 | |
| R 1 |
| | | R 1 | | R | 2 | | | | ||||||||
因为R1 和R2 温度条件完全相同, 所以 | ( | R 1 | ) t | | ( | R | 2 | ) t | , 所以电桥输出电压只和工作引发电 | ||||||||||||||
| R 1 | | | R | 2 | ||||||||||||||||||
阻改变相关,和温度改变无关。即
u | | E | R 1 | （7-15） |
DB | | 4 R 1 | | |
（2）半桥测量图7-12。其中AB、BC臂接工作片,CD、DA仍接仪器内标准电阻。两
枚工作片处于相同温度条件下, | ( | R 1 | ) t | | ( | R | 2 | ) t | | | | | | | | R | | | | |||||||||||||||
R 1 | | R | 2 | ) t | ] | | E | ( | R 1 | | 2 | ) | （7-16） | |||||||||||||||||||||
u | | E | | R 1 | | R 1 | ) t | ] | | [( | R | 2 | | ( | R | 2 | ||||||||||||||||||
DB | | 4 | | R 1 | | R 1 | | R | 2 | | | R | 2 | | | | 4 | | R 1 | | R | 2 | | | ||||||||||
桥路加减特征自动消除了温度影响,无需另接温度赔偿片。
A | R4 | B | R3 | C | UDB | A | R4 | B | R3 | C | UDB |
D | C | D | |||||||||
E | E |
图7-11 温度赔偿电路 图7-12 半桥测量
（3）对臂测量图7-13。通常AB、CD两个对臂接工作片,另两个对臂BC、DA接温
度赔偿片。这时四个桥臂电阻全部处于相同温度条件下,相互抵消了温度影响,得到
B B
结果如式（7-13）。
AC AC
UDB UDB
R4R3
R4 R3
D D
EE
(a) (b)
图7-13相对两臂工作
（4）全桥测量图7-14。四个桥臂全部是工作片,因为它们处于相同温度条件下,相
互抵消了温度影响。其计算如（7-9）或（7-10）式所表示。
在串联测量时图7-15,BC 臂需要将两个赔偿片串联起来,才能消除温度影响。
A | R1 | B | R2 | C | UDB | R1 | R1 | B | R2 | C | UDB |
R2 | |||||||||||
R4 | D | R3 | A | R4 | D | R3 | |||||
‘ | |||||||||||
E | E |
图7-14 全桥测量 图7-15 电阻片串联